二维MOLs衍生的氧化物/碳介观尺度复合结构的可控制备与储锂

随着社会的进步,能源危机和环境问题日益突出,为了更好的满足人们在生态、生活等方面对清洁能源 (如锂离子电池)日益增长的需求,对高容量的电极材料的研究变得非常迫切。钴基氧化物,因其较高的理论容量备受关注;然而,较差的导电性和充放电过程中较大的体积效应限制了其实际应用。构筑合适的分级多孔微纳复合结构可有效改善活性组分的体积变化同时提高其导电性,从而显著提升其电化学性能。

与三维金属有机骨架 (MOFs)材料相比,金属有机层 (Metal-organic layers, MOLs) 是二维配合物,构成其金属 (团簇)和配体在第三维度是不连续的,因此有较大的表面积和较多的易接近的活性位点,且其衍生结构可调,成为新的研究热点。鉴于此,最近山东大学化学院的熊胜林教授组与孙頔教授组合作,首先合成了一种钴簇基二维金属有机化合物,以此为结构模板,精准制备了CoO@C“蒲公英”状核壳纳米线阵列。基于热解过程的形貌和结构演化,首次提出了“原位自模板-重结晶-自组装”的转变机制,实现了从二维MOLs到三维复合结构的转变。HADDF-STEM分析进一步证实在纳米线的表面覆盖一层无定型的碳包覆层。

该杂化阵列结构不仅便于锂离子的传输,而且提高了活性材料的导电性;同时相邻纳米线之间的空隙既有利于电解液的渗透也能够缓解在充放电过程其体积效应,作为LIBs负极材料表现出了优异的循环稳定性和倍率性能。在200 mA g−1电流密度下循环,首圈的充/放电比容量为836/1184 mAh g−1,相应的首圈库伦效率为70.6%,循环218圈依然可以获得高达1003 mAh g−1的放电比容量。在500 mA g−1电流密度下循环300圈,放电比容量为1003 mAh g−1,同时,CoO@C也展现了非常优异的倍率性能。
该工作为2D MOLs材料的功能化应用指明了一个新方向,同时也为高容量氧化物的结构设计提供了一个新的研究思路。该研究成果发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201703242)上。